JP2005048639A - 蒸気弁装置および該蒸気弁装置を含む蒸気流制御システムを備えた蒸気タービン発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】経済的な材料構成により、高温・高圧蒸気流の安定制御が可能な蒸気弁装置およびこれを含む蒸気タービン発電プラントを与える。
【解決手段】内側に主蒸気流路となる内側蒸気室を設けるとともに弁座および弁座に対し進退自在に設けられた弁体を収容する内側弁ケーシングと、該内側弁ケーシングの主要部を包囲する外側蒸気室を区画する外側弁ケーシングとを有し、該内側弁ケーシングと外側弁ケーシングとを相対的に高温耐熱鋼および低温耐熱鋼によりそれぞれ形成するとともに、外側蒸気室には加圧冷却流体を導入するように構成した蒸気弁装置を用いる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービン発電プラントの高温蒸気流路に設けられる蒸気弁装置および該蒸気弁装置を含む蒸気流制御システムを備えた蒸気タービン発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービン発電プラントにおいて、タービン駆動蒸気の流量制御および緊急時の蒸気遮断等のために、各種蒸気弁が設けられており、蒸気タービンの安全な運用のために重要な要素をなしている。
【０００３】
例えば図５は一つの典型的な蒸気タービン発電装置の系統図である。図５を参照して、ボイラー１００からの蒸気は、主蒸気止め弁１０１、蒸気加減弁１０２を通過し高圧タービン１１０で仕事をしたあと、逆止弁１０７を経由して再びボイラー１００の再熱器にて加熱され、再熱蒸気止め弁１０３、インターセプト弁１０４を経て中圧タービン１１１、低圧タービン１１２へ流入し仕事をする。低圧タービン１１２を経た蒸気は復水器１１３にて水に戻され、給水ポンプ１１４にて昇圧して再びボイラー１００に供給されるように循環する。
【０００４】
また、プラントの運用効率を高めるために、プラントによっては主蒸気止め弁１０１の前からボイラー１００の再熱器の前に接続された高圧タービンバイパス弁１０５や、ボイラー１００の再熱器の後から復水器１１３に接続された低圧タービンバイパス弁１０６が設置され、タービンの運転に係わらずボイラー系統単独の循環運転が出来るようになっている。
【０００５】
これら蒸気弁、特に主蒸気止め弁１０１、蒸気加減弁１０２、再熱蒸気止め弁１０３、インターセプト弁１０４、高圧タービンバイパス弁１０５および低圧タービンバイパス弁１０６等の高圧蒸気弁は、ボイラーにて発生した蒸気が直接作用するために非常に厳しい環境下での使用となる。
【０００６】
図６は、このような蒸気弁の従来例の典型的な構造を示すものであり、この蒸気弁は、弁ケーシング１に上蓋２をボルト３にて固定して構成される圧力容器部４と、弁棒５にねじ込まれた弁体６、弁棒５を保持する案内片７、蒸気中の異物を捕捉するストレーナ８、および弁座９より構成されている。なお、弁棒５を上下方向に作動させるアクチュエータ（図示せず）が設置されている。
【０００７】
入口蒸気管部１２から流入する蒸気は、矢印Ａに示すように蒸気室ＩＲ内に流入し、弁体６と弁座９の間に形成される流路を通過して出口蒸気管部１３から矢印Ｂへと流出する。また、弁ケーシング１には蒸気室ＩＲと導通する弁座前ドレン１０、弁座後ドレン１１が形成されており、タービン起動時に蒸気室ＩＲ内部に蓄積されたドレンを排出する機能を有している。
【０００８】
図５に示したような蒸気タービン発電装置系統を用いる火力発電プラントにおいては、わが国において、従来主蒸気圧力２４．１ＭＰａ、主蒸気温度５３８℃、再熱蒸気温度５６６℃が典型的に採用されてきた。しかし、オイルショック以来、省エネルギー化が強力に推進され、またその後の地球温暖化問題に対する急速な関心の高まりから、火力発電プラントの高効率化を達成すべく、主蒸気や再熱蒸気温度は５９３℃、６００℃、６１０℃というように段階的に上昇してきている。この傾向は近年一層増大する傾向にあり、更に６３０℃、６５０℃、７００℃および７２５℃あるいはそれ以上の蒸気温度の採用が検討されている。
【０００９】
このように概ね６００℃を超えるような主蒸気や再熱蒸気温度条件では、従来から、これら蒸気弁の弁ケーシング材料として使用されているクロム（Ｃｒ）−モリブデン（Ｍｏ）−バナジウム（Ｖ）鋼に代表されるフェライト系合金などの低合金耐熱鋼の使用は困難となり、オーステナイト系耐熱鋼ないしＮｉ基合金耐熱鋼の使用が必要となる。しかしながら、オーステナイト系耐熱鋼は高価であるのみでなく、高温下での耐力は必ずしも高くなく、また熱膨張係数も比較的大であるため高温・高圧の肉厚な弁ケーシング材料として用いることは好ましくない。
【００１０】
ところで、このような肉厚の蒸気弁を使用した場合には、蒸気弁のケーシング内面、外面の温度差により熱応力が発生し、ケーシングの寿命等の観点から好ましくないことは良く知られている。そこで、この熱応力の発生を出来るだけ抑えるべく、ケーシングを２重構造として、２重のケーシングの間に暖気用の流体等を流通させてケーシング内外の温度差を抑えたものが知られている（例えば特許文献１）。
【００１１】
しかしながら、上記蒸気弁ではケーシング内外の温度差を監視しながらケーシング間に流通させる流体等を抑制するため、構造が複雑であり必ずしも実用に向いた構造とは言えない。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６２−２３７００９号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主要な目的は、材料の最適配置により、比較的経済的にも拘らず高温・高圧蒸気の安定制御の可能な蒸気弁装置ならびにこれを含む蒸気タービン発電プラントを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内側に主蒸気流路となる内側蒸気室を設けるとともに弁座および弁座に対し進退自在に設けられた弁体を収容する内側弁ケーシングと、該内側弁ケーシングの主要部を包囲する外側蒸気室を区画する外側弁ケーシングとを有し、該内側弁ケーシングと外側弁ケーシングとを相対的に高温耐熱鋼および低温耐熱鋼によりそれぞれ形成するとともに、外側蒸気室には加圧冷却流体を導入するように構成したことを特徴とする蒸気弁装置が提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、また蒸気タービンと、上記した本発明の蒸気弁装置を少なくとも一つ含む該蒸気タービンへの駆動蒸気流制御システムを備えた蒸気タービン発電プラントが提供される。
【００１６】
なお、上記した特開昭６２−２３７００９号公報に記載の蒸気弁では、蒸気タービンのスタート・アップ時の蒸気弁に生ずる内外壁の温度差を緩和するべく外側蒸気室に暖機用の蒸気を導入する構成としたもので、本発明のように定常運転において、高温耐熱鋼からなる内側弁ケーシングへの高温・高圧隔壁としての負担を、外側蒸気室に加圧冷却流体を導入し、低温耐熱鋼による外側弁ケーシングに分担させて高温・高圧蒸気を安定制御することに関しては一切考慮されていない。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて、更に具体的に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の蒸気弁装置の一実施例として図５の系統図における主蒸気止め弁として用いられる蒸気弁の断面図であり、図２はその外観斜視図であり、図６と対応する部材については同様な符号を付す。図１および２を参照して、該蒸気弁は、概ね逆Ｌ字状の主蒸気流路を形成する内側蒸気室ＩＲを区画する内側弁ケーシングＩＣと、該内側弁ケーシングＩＣの主要部を包囲する外側蒸気室ＯＲを区画する外側弁ケーシングＯＣと、を主要な構成要素とする。内側弁ケーシングＩＣは、図面上（好ましくは実際にも）水平に位置する主蒸気入口管（部）１２、中央ケーシング部２１および図面上（好ましくは実際にも）垂直に位置する出口管（部）１３とからなり、中央ケーシング部２１には上蓋２２がボルト２３により固定されて、内側蒸気室ＩＲの上部を区画しており、これら部材はいずれも高温耐熱鋼、例えば７００℃以上で実用的な強度を有するオーステナイト系合金鋼またはＮｉ基合金鋼、からなる。出口管（部）１３の上部から中央ケーシング２１へ移行するあご部には弁座９が設けられて、その上部には、弁棒５に固定された弁体６が、弁棒５の上端部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により、垂直方向に上下して、すなわち弁座９に対し進退自在に配置されている。また入口管（部）１２および出口管（部）１３は、それぞれフランジ２４および２５により、主蒸気流入配管および出口配管（いずれも図示せず）と結合される。
【００１９】
蒸気内側弁ケーシングＩＣの主要部（すなわち、弁体６を収容し、弁座９を含む中央ケーシング部２１）を包囲する外側蒸気室ＯＲを区画する外側弁ケーシングＯＣは、フランジ部２６を有する主隔壁部材（代表的に「外側弁ケーシング」と称する）２７を、内側弁ケーシングＩＣの主蒸気入口管（部）１２の図中一点鎖線で示す中心線Ｘ上で分割して二つの半体、すなわち上半体２７ａおよび下半体２７ｂとし、それらをフランジ部２６において、複数組のボルト／ナット機構により互いに係止した構造を有する。後述するように、外側弁ケーシングＯＣにより区画された外側蒸気室ＯＲには加圧冷却流体が導入されて外側弁ケーシング２７は、その内壁から冷却されるため、外側弁ケーシング２７は、低温耐熱鋼、例えば耐熱温度が約５７０℃のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼に代表されるフェライト系合金などの低合金耐熱鋼で充分構成可能である。
【００２０】
また、該外側弁ケーシング２７の、弁棒５の案内片７、内側弁ケーシングＩＣの入口管（部）１２および出口管（部）１３との接合部には、例えば２〜３分割したシールリングを多層に積み重ねたシール機構２８ａ，２８ｂおよび２８ｃがそれぞれ設けられており、弁棒５の端部に配置されるアクチュエータ（図示せず）や、入口および出口蒸気配管（図示せず）とのフランジ２４および２５による継合部を取外すことなく、外側弁ケーシング２７の分解および組立が可能になっている。また、分解後外側弁ケーシング２７の上半体２７ａを取り除いた後には、内側弁ケーシングＩＣの内蓋２２が露出し、ボルト２３を外して、内蓋２２を除くことにより内側蒸気室ＩＲ内の保守点検も容易に行うことができる。
【００２１】
外側弁ケーシングＯＣは、図示されていない支持機構により台座などに支持される。そして、内側弁ケーシングＩＣは、例えば、内外ケーシングを継合すべく埋め込まれた埋込ボルト等の剛継手からなる保持機構３０を介して外側弁ケーシングＯＣに支持される。保持機構３０は、主蒸気出口管（部）１３の中心線Ｙに直角で、且つ主蒸気入口管（部）１２の中心線Ｘを含む平面上に均等に複数、例えば３個所、設けることが好ましい。これにより、内外ケーシングの熱膨張の際にもシールリング２８ａ，２８ｂおよび２８ｃのそれぞれの軸と直角な方向への荷重の作用が防止可能となる。
【００２２】
本例の蒸気弁装置においては、更に、外側蒸気室ＯＲに加圧冷却流体としての低温・低圧蒸気を内側蒸気室ＩＲから導入するためのオリフィス２９が内側弁ケーシングＩＣの弁座９と近接する上流位置に設けられ、且つ外側弁ケーシングＯＣの底部には圧力調整弁３１と配管により結合された弁座前ドレン１０が設けられている。更に弁棒５と案内片７の間隙に漏洩した蒸気を系外に排出するために、案内片の内部にあけられた穴状の弁棒リークオフ３２が設けられ、外側弁ケーシングＯＣ外面まで導かれ配管結合される。
【００２３】
以下、上記で説明した図１（および図２）に示す蒸気弁の動作について説明する。
【００２４】
例えば圧力２５ＭＰａ、温度７００℃の主蒸気流Ａは、内側蒸気室ＩＲに導入され、弁棒５を介してアクチュエータ（図示せず）により駆動される弁体６の弁座９への進退運動により、開閉されつつ出口流Ｂとなって内側蒸気室ＩＲを出るが、その一部はオリフィス２９を通過する際に膨張により冷却されて、例えば圧力１１〜１３ＭＰａ、温度５４０〜５７０℃の低温・低圧化蒸気（加圧冷却流体）となって外側蒸気室に導入される。これにより、外側弁ケーシング２７は内壁も含めて５７０℃以下に保持され、低温耐熱鋼による構成が可能になる。このオリフィス２９は、弁座９に近接する上流位置に設けられているため内側蒸気室に対してはドレン排出孔としての機能も有し、外側弁ケーシング１０の底部に設けられた弁座前ドレン１０を介して、弁座９および弁体６のエロージョンの原因となる凝縮水の弁座前除去が可能になる。弁座前ドレン１０は配管により圧力調節弁３１に結合され、該調節弁３１の作動により、外側蒸気室ＯＲ内の圧力（および温度）の調節が可能になる。すなわち、外側蒸気室ＯＲの設定圧力を上げれば、ドレン１０からの蒸気流出量が低下して、外側蒸気室内の圧力（および温度）が上昇する。他方、外側蒸気室ＯＲの設定圧力を下げれば、ドレン１０からの蒸気流出量が増大して、外側蒸気室ＯＲの圧力（および温度）が低下する。
【００２５】
一般に本発明の目的とする内側弁ケーシングの耐圧負担の低下および外側弁ケーシングの耐熱負担の低下を効果的に達成するためには、外側蒸気室内の圧力および温度を、内側蒸気室内に比べて、圧力は４５〜５２％に低下させ、温度は１３０〜１６０℃低下させることが望ましく、そのためにはオリフィス２９としては径が８〜１２ｍｍのものを４〜８本程度設けることが好ましい。
【００２６】
（変形例）
上記においては、本発明の蒸気弁装置の好ましい一態様として、内側蒸気室内を流れる主蒸気の一部をオリフィス２９を通して断熱膨張させることにより、低圧、低温化した蒸気流を外側蒸気室内に導入する構成とした。しかしながら、本発明の目的とする内側弁ケーシングの耐圧負担の低下と外側弁ケーシングの耐熱負担の低下による両ケーシング材の最適化の目的のためには、主蒸気圧力および温度との関係で定まる上記した圧力および温度を有する任意の流体を加圧冷却流体として用いることができる。例えば、高圧タービン出口蒸気流等、蒸気タービンプラントの任意の位置から適当な圧力および温度を有する蒸気流の一部を分岐して、外側蒸気室に導入することにより、オリフィス２９の形成を省略することもできる。
【００２７】
しかし、図１を参照して上述した実施例は、オリフィス２９の使用により付加的な配管を設けることなく、全体としてコンパクトに高温・高圧蒸気弁を構成可能であり、該オリフィスを弁座前ドレンとして併用することにより弁主要部のエロージョンを防止できるという重要な利点も得られるので、極めて好ましい。
【００２８】
（他の変形例）
次に、本発明の蒸気弁装置の他の変形例を、図３および図４（これらにおいて図１および図６と同様の部材は、同様の符号を付している）を参照して説明する。
【００２９】
図３に示す変形例では、オーステナイト耐熱合金鋼などの熱膨張量の大きな材料を内側弁ケーシングＩＣに採用した場合の一例として自重支持点の熱膨張吸収を円滑にするため、内側弁ケーシングの保持機構３０として、内側弁ケーシングの重量支持点と外側ケーシングの非対向位置との間に角度可変継手保持機構を用いる、すなわち内側ケーシングの重量支持点を内側ジョイント３４とし、内側弁ケーシングの重量を連結棒３３を介して外側弁ケーシングＯＣの支持点外側ジョイント３５において支持する構造としたことである。内側ジョイント３４及び外側ジョイント３５はユニバーサルジョイント構造になっており、内側ケーシングの熱膨張を吸収する。また、連結棒３３は外側弁ケーシングと同等に熱膨張するため内側ジョイント３４と連結棒３３の相対位置はほとんど変化しない。
【００３０】
また図４に示す変形例では、内側弁ケーシングＩＣとシールリング２８ｂおよび２８ｃの間に内側ケーシングと同等の材質からなる遮熱帯３６を設けている。遮熱帯３６と内側弁ケーシングの間には間隙を設け、シールリング２８との接触面の温度を低下させ、シールリング２８および２８ｃの温度劣化を低減する。
【００３１】
上記においては、本発明の蒸気弁装置を、主蒸気止め弁の例を持って説明したが、本質的に同様の構造のものは、加減弁、インターセプト弁としても用いられる。したがって、図１〜図４をもって説明したような構造を有する本発明の蒸気弁を、図５の系統図で説明した蒸気タービン発電プラントの蒸気弁１０１〜１０６等のいずれかに用いることにより、本発明の蒸気タービン発電プラントが得られる。
【００３２】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、高温・高圧蒸気弁を内外二重弁ケーシング構造とし、外側弁ケーシングで区画される外側蒸気室に加圧・冷却流体を導入することにより、内側弁ケーシングの耐圧負担および外側弁ケーシングの耐熱負担をそれぞれ著しく緩和して、ケーシング材料の最適化を可能にする。その結果、本発明によれば、比較的経済的にも拘らず、高温・高圧蒸気の安定制御の可能な蒸気弁装置ならびにこれを含む蒸気タービン発電プラントが得られる。また、弁座に近接して、内側弁ケーシングにオリフィスを設け、該オリフィスを通じて主蒸気を断熱膨張させて、低温・低圧化した蒸気流を加圧冷却流体として用いることにより、蒸気弁装置をコンパクトに構成し、弁主要部のエロージョンを効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸気弁の一実施例の断面図。
【図２】図１の蒸気弁の外観斜視図。
【図３】本発明の蒸気弁の他の実施例の断面図。
【図４】本発明の蒸気弁の他の実施例の断面図。
【図５】本発明の蒸気弁を含む蒸気流制御システムを備えた蒸気タービン発電プラントの系統図。
【図６】従来の蒸気弁の断面図。
【符号の説明】
１ 蒸気弁ケーシング
２ 上蓋
３ ボルト
４ 圧力容器
５ 弁棒
６ 弁体
７ 案内片
８ ストーナ
９ 弁座
１０ 弁座前ドレン
１１ 弁座後ドレン
１２ 入口管（部）
１３ 出口管（部）
２１ 中央ケーシング
２２ 内部上蓋
２４，２５ フランジ
２７ 外側弁ケーシング部材
２８ａ〜２８ｃ シール機構
２９ オリフィス
３０ 保持機構
３１ 圧力調整弁
３２ 弁棒リークオフ
ＩＣ 内側弁ケーシング
ＯＣ 外側弁ケーシング

Claims (13)

1. 内側に主蒸気流路となる内側蒸気室を設けるとともに弁座および弁座に対し進退自在に設けられた弁体を収容する内側弁ケーシングと、該内側弁ケーシングの主要部を包囲する外側蒸気室を区画する外側弁ケーシングとを有し、該内側弁ケーシングと外側弁ケーシングとを相対的に高温耐熱鋼および低温耐熱鋼によりそれぞれ形成するとともに、外側蒸気室には加圧冷却流体を導入するように構成したことを特徴とする蒸気弁装置。
2. 内側弁ケーシングには、内外蒸気室を連通させるオリフィスを設け、該オリフィスを通じて内側蒸気室内の蒸気の一部を膨張させて加圧冷却流体としての相対的に低温・低圧な蒸気を外側蒸気室に導入するようにした請求項１に記載の蒸気弁装置。
3. 内側弁ケーシングの弁座に近接する上流側部位に前記オリフィスを開口させ該オリフィスを弁座前ドレンとしても作用させる請求項２に記載の蒸気弁装置。
4. 高温耐熱鋼がオーステナイト系合金鋼またはＮｉ基耐熱合金鋼であり、低温耐熱鋼が低合金鋼である請求項１〜３のいずれかに記載の蒸気弁装置。
5. 外側弁ケーシングを主蒸気入口管の中心線上で分割する構造とした請求項１〜４のいずれかに記載の蒸気弁装置。
6. 分割された外側弁ケーシングが互いにフランジ部を有し、フランジ継手により継合された構造を有する請求項５に記載の蒸気弁装置。
7. 内側弁ケーシングを構成する主蒸気入口管と主蒸気出口管とを結ぶ主蒸気流路を概ねＬ字状に直交させ、主蒸気入口管と主蒸気出口管における外側弁ケーシングとの接合部にシール機構を設けた請求項１〜５のいずれかに記載の蒸気弁装置。
8. シール機構を分割構造とした請求項７に記載の蒸気弁装置。
9. 内側弁ケーシング外壁とシール機構との間に遮熱帯を配置してなる請求項７または８に記載の蒸気弁装置。
10. 主蒸気入口管の中心線を含む平面上の外側弁ケーシングとの対向位置に内側弁ケーシングの重量支持点を設ける請求項１〜９のいずれかに記載の蒸気弁装置。
11. 内側弁ケーシングの重量支持点と外側弁ケーシングの対向位置との間に剛継手保持機構を有する請求項１０に記載の蒸気弁装置。
12. 内側弁ケーシングの重量支持点と外側弁ケーシングの非対向位置との間に角度可変継手保持機構を有する請求項１０に記載の蒸気弁装置。
13. 蒸気タービンと、請求項１〜１２のいずれかに記載の蒸気弁装置を少なくとも一つ含む該蒸気タービンへの駆動蒸気流制御システムを備えた蒸気タービン発電プラント。

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